金亨俊 공학박사 / 서울대학교 재료공학부 교수 차세대성장동력산업 차세대반도체분야 자문단 단장 1. 서 론 지난 1~2년 동안 과학기술분야를 흔들었던 화두는 IT, NT, BT, ET, ST, 그리고 CT를 대변하는 6T였다. 그래서 많은 세라믹스 연구자들은 자신의 연구분야를 NT 혹은 IT 등으로 변경시키거나 현재의 연구주제에다 nano라는 이름을 붙여 새로운 조류에 뒤지지 않게 포장하는 노력을 시도하였다. 특히 융합기술의 필요성이 거론되면서 다시 NIT, BIT 등의 세라믹스 관련 융합연구의 필요성이 대두되면서 어느 방향으로 연구의 초점을 맞추어야 연구비를 순조롭게 조달하고 시대에 뒤떨어지지 않는 연구를 할까하는 고민하여 왔다. 그런데 지난 7월부터 참여정부에서는 다시 ‘10대 차세대 성장동력산업’이라는 주제를 들고 나와 모든 국가연구개발사업을 여기에 맞추어 추진하려 하고 있다. 차세대 성장동력산업은 기존의 국가 전략 산업인 자동차, 반도체, 조선, 전자 등의 주력기간산업에서 30개, 미래유망산업에서 26개 그리고 지식기반서비스산업에서 4개를 발굴한 총 60개의 품목을 10개의 중분류로 묶은 것이다. 10대 차세대성장동력산업은 디지털TV, 디스플레이, 지능형로봇, 미래형자동차, 차세대반도체, 텔레메틱스, 홈네트워크, 디지털콘텐츠, 차세대전지, 바이오신약의 10가지 산업이다. 실제 연구개발을 주도하고 있는 과학기술부, 산업자원부, 정보통신부의 세 개 부처가 주축이 되어 특정분야별 역할 분담을 하고 국가 연구개발 역량을 총동원할 채비를 하고 있다. 이 산업을 6T와 연관하여 분류를 해 보면 많은 산업이 IT(6산업), NT(3산업), BT(1산업), ST(2산업), CT(1산업)와 관련을 맺을 수 있으며 세라믹스를 연구하는 연구자의 입장에서는 6T로 분류하는 것보다는 오히려 차세대 성장동력산업으로 분류하는 것이 각 연구자의 연구분야를 더 쉽게 맞출 수 있을 것이다. 왜냐하면 차세대 성장동력산업의 분류는 현재의 산업분류와 유사하기 때문이다. 국가의 연구개발분야 지원을 6T중심으로 하던지, 차세대성장동력산업을 중심으로 하던가에 관련 없이 모든 세라믹스분야의 연구자는 언제나 모든 산업개발의 중심이 되는 세라믹스 소재나 부품을 다루고 있기 때문에 큰 문제는 없을 것으로 생각된다. 세라믹스 소재나 부품산업이 차세대 성장동력산업의 한 축으로 자리를 잡지는 못하였지만, 선정된 산업의 연구개발과 제품 생산에서는 빠질 수 없는 감초의 역할을 할 것은 분명하다. 따라서 본 원고에서는 각 성장동력산업이 어떠한 세라믹스 소재 및 부품과 관련이 있고 연구방향이 어떠한지를 살펴보기로 한다. 2. 차세대 성장동력산업과 세라믹스 <표 1>은 10대 차세대 성장동력산업의 주요 제품과 관련된 세라믹스기술에 대해 정리하였다. 10대 산업 중에서 7개 산업은 세라믹스 소재와 긴밀한 관련이 있는 것으로 판단이 되고 이들 관련된 세라믹스 기술을 분류하면 1)통신 및 방송용 부품소재, 2)디스플레이용 부품소재, 3)연료전지, 4)반도체 핵심공정기술, 5)2차 전지, 6)센서기술 그리고 7)생체용 세라믹스이다. 물론 이외에도 작은 부분으로 10대 산업에 세라믹스가 기여하는 기술을 많을 것으로 생각되나 큰 부분을 차지하는 것으로 이렇게 나눌 수 있을 것이다. 따라서 10대 성장동력산업과 연관된 각 세라믹스의 기술에 대해 간략하게 살펴보고자 한다. 가. 이동통신 및 방송용 부품소재 통신 산업은 고도화의 사회로 갈수록 보다 빠르고 정확한 다량의 정보 전달이 요구되며, 음성뿐만 아니라 데이터전송, 화상전송, 인터넷 통신의 다양한 기능이 요구된다. 이동통신기기 및 방송시스템의 기능도 고기능·다기능·저전력·저가격화 되고, 소형·경량화 추세로 가고 있다. 그리고 통신 및 방송시스템을 구성하는 세라믹스 전자부품의 개발이 중요해지고 이동통신부품시장이 새롭게 급부상 될 전망이다. 세라믹으로 제작되어야 할 통신용 부품으로는 전압제어발진기(VCO), 대역통과 필터(Band Pass Filter, BPF), 듀플렉서(Duplexer)와 칩 안테나, 칩 lsolator, 콘덴서, 인덕터, 탄성표면파(SAW)필터 등이 있다. 이들 부품에 사용되는 세라믹스 소재와 연구방향은 <표 2>에 나타나 있다. 나. 디스플레이부품소재 성장동력산업으로 지정된 디스플레이산업의 주요제품으로는 LCD, PDP, 유기EL, FED 및 전자종이 등이 있다. 이들 제품의 생산을 위하여 필요한 부품소재와 연구방향에 대해 <표 3>에서 보여주고 있다. 이들 부품들은 유리 기판을 비롯한 많은 세라믹스 소재를 필요로 하고 있으며 이에 대한 연구 또한 활발하다. 다. 연료전지 관련 소재 연료전지에는 용융탄산연료전지(MCFC: Molten Carbonate Fuel Cell), 인산염연료전지(PAFC:Phosph oric Acid Fuel Cell), 고분자멤브레인연료전지(PM FC:Polymer Membrane Fuel Cell), 고체산화물연료전지(SOFC:Solid Oxide Fuel Cell), 알카리연료전지(AFC:Alkaline Fuel Cell)의 5종류가 있으며, 이중에서 특히 고체산화물 연료전지는 세라믹스 소재를 주축으로 한 연료전지라는 점에서 세라믹스와 매우 밀접한 관계를 가지고 있다. 고체산화물 연료전지는 에너지 변환효율이 높아 고효율이고 고출력밀도를 얻을 수 있다는 장점을 가지고 있다. 특히 전지구조가 간단하여 다양한 형태가 가능하고, 대규모에서부터 소규모까지 적용할 수 있으며 복합 열기관화가 용이한 점, 환경오염의 방지 등이 고체 전해질 연료전지의 특징으로 차세대의 연료전지로써 매우 중요하다. 세라믹 연료전지의 핵심은 100㎛전후의 치밀한 고체전해질 제작기술, 고체전해질에 연료극 및 공기극 부착기술, 조립기술 등이다. 이를 위하여 다음과 같은 연구개발이 이루어지고 있으며 앞으로도 상용화될 때까지 지속적으로 연구되어질 것으로 예상된다. - 연료극 지지체식 원통형 고체산화물 제조 기술 - 전해질 자립막식 고체산화물 연료전지 제조 기술 - 원통형 고체산화물 연료전지 지지체, 원통형 단전지 및 Bundle 제조 기술 - 전극, 전해질, 금속 연결재, 전류집전체 등 핵심 소재 기술 - 전극 코팅 및 밀봉 기술 개발, PEN 및 단전지 제조 기술 라. 2차 전지 소재 2차 전지는 한번 쓰고 버리는 일반 건전지(1차 전지)와는 달리 재충전해 사용하는 전지를 말한다. 2차 전지는 노트북 PC, 휴대전화, 캠코더 등 거의 대부분이 휴대용 통신기기 및 컴퓨터에 채용되는 핵심부품이다. 그 동안은 니켈카드뮴 전지, 니켈수소 전지 등이 사용되어 왔으나, 최근에는 리튬이온 전지, 리튬폴리머전지 등이 사용되고 있다. 리튬이온전지에는 LiCoO2계, LiMn2O4/흑연계, LiNiMnO2/혼합계 전지 등이 있으며, 중요한 기술은 Li 산화물의 양극전극의 제조이다. 이에 대한 연구가 국내외적으로 활발하게 진행되고 있다. 마. 반도체 소재 및 공정 기술 21세기 디지털정보화 시대를 맞이하여 컴퓨터, 디지털가전, 유비쿼터스 통신 등 각종 분야에서 반도체는 핵심적인 부품으로 사용되고 있으며, 반도체 기술의 눈부신 발전과 더불어 새로운 전자, 통신 시스템의 디지털 콘버전스가 가능하여지고 있다. 차세대 반도체분야에는 3가지 주요기술이 포함되어 있는데 차세대 메모리, SoC, 나노전자소자이다. 이 가운데 SoC를 제외한 차세대메모리와 나노전자소자의 기술개발을 위해서는 세라믹스의 응용이 필수 불가결하고, 핵심적인 기술은 세라믹스의 극박막화 기술과 원자단위로 제조하는 기술이다. 차세대 메모리와 나노전자소자를 기술적으로 분류해 보면 <표 4>에서 보여주듯이 5가지의 전자소자나 메모리로 나눌 수 있다. 바. 센서 기술 차세대 성장동력산업의 미래형 로봇, 차세대 자동차 그리고 차세대 이동통신에 필요한 기반기술로서 센서기술을 들 수 있다. 특히 텔레메틱스와 텔레메트릭스 기술에서는 여러 가지 현상을 감지하는 기술이 필수적이고 이런 감지하는 기술의 중심에는 감지소자의 개발이 있다. 이런 감지소자는 세라믹스 소재로 많이 만들어지고 있으며 앞으로는 고성능, 고신뢰성 감지소자의 개발이 꼭 필요하다. 기본적인 감지소자인 온도, 압력, 가속도, 가스 센서의 세라믹스 소재와 연구방향을 <표 5>에서 보여주고 있다. 사. 생체용 세라믹스 기술 생체용 재료란 과학 기술의 발달로 인간의 수명이 연장되면서 노쇠해진 인체의 일부나, 질병 혹은 사고로 인하여 잃어버린 기능을 치환, 보충하기 위해 생체에 직접 이용되는 인공재료를 뜻한다. 이중에서 생체용 세라믹스는 그 특성상 연조직보다는 경질조직인 인공 뼈, 뼈 충진제, 인공 치아 및 치근, 인공 관절 등에 이용되고 있다. 생체용 세라믹스는 생체와의 반응에 따라 생체불활성 세라믹스(bioinert ceramics), 생체활성 세라믹스(bioactive ceramics)와 생체분해성 세라믹스(biodegradable ceramics)로 나누어 볼 수 있고, 이들 세라믹스의 재질과 그 연구 방향은 <표 6>과 같다. 3. 맺음말 앞서 살펴본 바와 같이 세라믹스는 중요한 소재 중 하나로서 10대 성장동력산업의 많은 제품을 구현하는데 필수적인 소재이다. 따라서 세라믹스 연구는 국가가 추진하고 있는 10대 성장동력 산업에 직접적으로 포함되지는 못 하였지만 많은 산업의 핵심소재로서 그 역할이 지대할 것으로 예상된다. 한정된 지면과 다양한 기술로 인하여 상세하게 기술들을 살펴보지는 못하였지만 성장동력산업과 연관된 기술에 대해 간단하게나마 기술하였다. 참고로 산업자원부에서는 아래와 같은 세라믹스 관련 10대 기술에 대하여 발표한 바 있고, 이들 10대 기술은 10대 차세대 성장동력산업에서 필요로 하는 기본적인 세라믹스 기술이 될 것으로 생각된다. 이들 세라믹스 기술의 확보가 결국 10대 성장동력산업의 성공에도 큰 영향을 미칠 것으로 예상된다. ① 원료고급화기술(고순도, 저가화, 물성제어) ② 고기능소재설(분말, 조성, 첨가제 등 Kg급 이상) ③ 초정밀 성형기술(기공제어, 복잡형상, 육성 등) ④ 에너지 절약기(저온, 신속, 신소성법 등) ⑤ 극미세 초정밀 기술개발(가공제, 고속정밀, 연속공정) ⑥ 표면개질기술(표면처리, 코팅, 기능부여 등) ⑦ 디바이스화기술(전극, 접합, 적층, 다기능화 등) ⑧ 평가인증표준화기술(신뢰성, 극미세분석평가 등) ⑨ 제조장비국산화기술(고온로, 고속분쇄기, 복합성형기능) ⑩ 나노세라믹기술(분말, 단결정, 분산, 형상, 복합제, 신기능)